Kafli 12 - Svör við æfingum

Svör við æfingum

12.1 Hvarfhraði efnahvarfa

Augnablikshraði er hvarfhraði á tilteknum tímapunkti, á svo stuttu tímabili að styrkur hvarfefna og myndefna breytist hverfandi lítið. Upphafshraði er augnablikshraði efnahvarfs þegar það hefst (þegar myndefni byrjar rétt að myndast). Meðalhraði er meðaltal augnablikshraða yfir ákveðið tímabil.

${\text{rate}=+\frac{1}{2}\, \frac{{\text{Δ}{[{{{\text{CIF}}}_{3}}]}}}{{\text{Δ}t}}\, =-\frac{{\text{Δ}{[{{{\text{Cl}}}_{2}}]}}}{{\text{Δ}t}}\, =-\frac{1}{3}\, \frac{{\text{Δ}{[{{\text{F}}_{2}}]}}}{{\text{Δ}t}}}$

(a) meðalhraði, 0 − 10 s = 0,0375 mól L⁻¹ s⁻¹; meðalhraði, 10 − 20 s = 0,0265 mól L⁻¹ s⁻¹; (b) augnablikshraði, 15 s = 0,023 mól L⁻¹ s⁻¹; (c) meðalhraði fyrir myndun B = 0,0188 mól L⁻¹ s⁻¹; augnablikshraði fyrir myndun B = 0,012 mól L⁻¹ s⁻¹

12.2 Þættir sem hafa áhrif á hvarfhraða

Hærri mólstyrkur eykur hvarfhraðann. Hærra hitastig eykur hvarfhraðann. Minni bitar af magnesíummálmi hvarfast hraðar en stærri bitar vegna þess að hvarfgjarnari snertiflötur er til staðar.

(a) Það fer eftir horninu sem er valið, það getur tekið frumeindina langan tíma að rekast á sameindina og þegar árekstur verður, er ekki víst að hann leiði til þess að efnatengið rofni og hitt myndist. (b) Agnir hvarfefna verða að komast í snertingu hvor við aðra áður en þær geta hvarfast.

(a) mjög lítill; (b) Þegar hitastigið er aukið gengur efnahvarfið hraðar fyrir sig. Magn hvarfefna minnkar og magn myndefna eykst. Eftir smá stund er nokkurn veginn jafnt magn af BC, AB og C í efnablöndunni og smá umframmagn af A.

12.3 Hraðajöfnur

(a) 2; (b) 1

(a) Ferlið dregur úr hraðanum um fjórðung. (b) Þar sem CO kemur ekki fyrir í hraðajöfnunni hefur það ekki áhrif á hraðann.

4,3 $\times$ 10⁻⁵ mól/L/s

7,9 $\times$ 10⁻¹³ mól/L/ár

hraði = k; k = 2,0 $\times$ 10⁻² mól L⁻¹ klst.⁻¹ (um 0,9 g L⁻¹ klst.⁻¹ fyrir meðalkarlmann); Efnahvarfið er núllta stigs.

hraði = k[NOCl]²; k = 8,0 $\times$ 10⁻⁸ L/mól/klst; annars stigs

hraði = k[NO]²[Cl₂]; k = 9,1 L² mól⁻² klst⁻¹; annars stigs með tilliti til NO; fyrsta stigs með tilliti til Cl₂

(a) Hraðajafnan er annars stigs með tilliti til A og er skrifuð sem hraði = k[A]². (b) k = 7,88 $\times$ 10⁻³ L mól⁻¹ s⁻¹

(a) 2,5 $\times$ 10⁻⁴ mól/L/mín

hraði = k[I⁻][OCl⁻]; k = 6,1 $\times$ 10⁻² L mól ⁻¹ s⁻¹

12.4 Heilduð hraðalögmál

Graf af ln[SO₂Cl₂] á móti t sýnir línulega þróun; þess vegna vitum við að þetta er fyrsta stigs efnahvarf:

k = 2,20 $\times$ 10^–5 s⁻¹

A graph is shown with the label “Time ( s )” on the x-axis and “l n [ S O subscript 2 C l subscript 2 ] M” on the y-axis. The x-axis begins at 0 and extends to 4.00 times 10 superscript 4 with markings every 1.00 times 10 superscript 4. The y-axis shows markings extending from negative 3.5 to negative 2.5. A decreasing linear trend line is drawn through seven points at the approximate coordinates: (0, negative 2.3), (0.5 times 10 superscript 4, negative 2.4), (1.0 times 10 superscript 4, negative 2.5), (1.5 times 10 superscript 4, negative 2.6), (2.0 times 10 superscript 4, negative 2.9), (2.5 times 10 superscript 4, negative 3.0), and (3.0 times 10 superscript 4, negative 3.2).

Grafið er nokkuð línulegt, þannig að efnahvarfið er annars stigs. k = 50,1 L mól⁻¹ klst⁻¹

A graph is shown with the label, “t ( h ,)” on the x-axis and, “1 divided by [ O subscript 3 ] M,” on the y-axis. The x-axis shows markings at 0, 2 times 10 superscript 3, 6 times 10 superscript 3, 10 time 10 superscript 3, 14 times 10 superscript 3, and 18 times 10 superscript 3. The y-axis shows markings beginning at 0, increasing by 1 up to and including 9. An increasing linear trend line is drawn through seven points at the coordinates: (0, 1.00), (2.0 times 10 superscript 3, 2.01), (7.6 times 10 superscript 3, 4.83), (1.00 times 10 superscript 4, 6.02), (1.23 times 10 superscript 4 , 6.02), (1.43 times 10 superscript 4, 8.20) and (1.70 times 10 superscript 4, 9.52). A horizontal line segment is drawn through the first point and a vertical line segment is similarly drawn through the last point to make a right triangle on the graph. The horizontal leg of the triangle is labeled “ capital delta t.” The vertical leg is labeled “capital delta 1 divided by [ O subscript 3 ].”

14,3 d

8,3 $\times$ 10⁷ s

0,826 s

Efnahvarfið er fyrsta stigs. k = 1,0 $\times$ 10⁷ L mól⁻¹ mín⁻¹

1,16 × 10³ s; 20% eftir

252 dagar

[[TABLE:fs-idm247275488]]

12.5 Árekstrakenningin

Hvarfefnin eru annaðhvort á of hægri ferð til að hafa næga hreyfiorku til að komast yfir virkjunarorku efnahvarfsins, eða stefna sameindanna þegar þær rekast á getur komið í veg fyrir að efnahvarfið eigi sér stað.

Virkjunarorkan er lágmarksorka sem þarf til að mynda virkjaða flókann í efnahvarfi. Hún er venjulega gefin upp sem orkan sem þarf til að mynda eitt mól af virkjuðum flóka.

Eftir að k hefur verið fundið við nokkur mismunandi hitastig gefur línurit af ln k á móti ${\frac{1}{T},}$ beina línu með hallatöluna ${\frac{{\text{−}{E}_{\text{a}}}}{R}}$ sem hægt er að nota til að ákvarða E_a.

(a) 4 sinnum hraðar (b) 128 sinnum hraðar

${3,9\, \times \, {{10}}^{{15}}\, {\text{s}}^{{−1}}}$

43,0 kJ/mól

177 kJ/mól

E_a = 108 kJ; A = 2,0 $\times$ 10⁸ s⁻¹; k = 3,2 $\times$ 10⁻¹⁰ s⁻¹; (b) 1,81 $\times$ 10⁸ klst. eða 7,6 $\times$ 10⁶ dagar; (c) Að gera ráð fyrir að efnahvarfið sé óafturkræft einfaldar útreikninginn vegna þess að við þurfum ekki að taka tillit til hvarfefnis sem, eftir að hafa breyst í myndefni, snýr aftur í upprunalegt ástand.

A frumeindin hefur næga orku til að hvarfast við BC; hins vegar benda mismunandi horn sem hún skoppar af BC án þess að hvarfast til þess að stefna sameindarinnar er mikilvægur þáttur í hraðafræði efnahvarfsins og ákvarðar hvort efnahvarf muni eiga sér stað.

12.6 Hvarfgangar efnahvarfa

Nei. Almennt séð getum við ekki spáð fyrir um áhrif þess að breyta styrknum fyrir heildarefnahvarfið án þess að þekkja hraðajöfnuna. Já. Ef efnahvarfið er grunnskref, þá tvöfaldar tvöföldun á styrk A hraðann.

Hraði = k[A][B]²; Hraði = k[A]³

(a) Hraði₁ = k[O₃]; (b) Hraði₂ = k[O₃][Cl]; (c) Hraði₃ = k[ClO][O]; (d) Hraði₂ = k[O₃][NO]; (e) Hraði₃ = k[NO₂][O]

(a) Tvöföldun á [H₂] tvöfaldar hraðann. [H₂] verður að koma fyrir í hraðajöfnunni í fyrsta veldi. Tvöföldun á [NO] eykur hraðann um stuðulinn 4. [NO] verður að koma fyrir í hraðajöfnunni í öðru veldi. (b) Hraði = k [NO]²[H₂]; (c) k = 5,0 $\times$ 10³ mól² L⁻² mín⁻¹; (d) 0,0050 mól/L; (e) Skref II er hraðatakmarkandi skrefið. Ef skref I gefur N₂O₂ í nægjanlegu magni, sameinast skref 1 og 2 og gefa ${2\text{NO}+{\text{H}}_{2}\, \longrightarrow \, {\text{H}}_{2}\text{O}+{\text{N}}_{2}\text{O}.}$ Þetta efnahvarf samsvarar hraðajöfnunni sem sést. Sameinið skref 1 og 2 við skref 3, sem gerist að gefnu tilefni hratt, til að fá rétta hlutfallaefnafræði.

12.7 Hvötun

Almenn virkni hvata er að bjóða upp á hvarfgang þar sem hvarfefnin geta sameinast auðveldar með því að fara leið með lægri hvarforku. Hraði bæði framhvarfs og bakhvarfs eykst, sem leiðir til þess að jafnvægi næst hraðar.

(a) Klóratóm eru hvati vegna þess að þau hvarfast í öðru skrefi en endurmyndast í þriðja skrefi. Þau eyðast því ekki, sem er einkenni hvata. (b) NO er hvati af sömu ástæðu og í hluta (a).

Lækkun á orku virkniástandsins gefur til kynna áhrif hvata. (a) B; (b) B

Orkan sem þarf til að fara frá upphafsástandi yfir í virkniástand er (a) 10 kJ; (b) 10 kJ.

Bæði ritin lýsa tveggja þrepa útvermnum efnahvörfum, en með mismunandi vermibreytingum, sem bendir til þess að ritin sýni tvö mismunandi heildarefnahvörf.